JP2020522144A - Heat sink and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

本発明はヒートシンク(100)に関し、ヒートシンクは、実質的に平面状で中実のスラブ(101)を備え、複数の流体流路が設けられ、複数の流体流路は、スラブの入口(110)から出口(120)に冷却液を運ぶように形成され、複数の流路は、少なくとも複数のブリッジング流路(31〜34、36〜37)によって相互接続された少なくとも2つの主流路(10、20)を含み、複数のブリッジング流路は、それらの主流路へのそれぞれの取付け点の間でさらに分岐しておらず、ブリッジング流路(31〜34、36〜37)は、流れ方向に局所的に増加する断面を有し、ブリッジング流路(31〜34、36〜37)は、当該断面における局所的な増加の下流で、流れ方向に局所的に減少する断面を有する。また、本発明は、ヒートシンクの製造方法に関する。 The present invention relates to a heat sink (100), the heat sink comprising a substantially planar, solid slab (101) provided with a plurality of fluid flow paths, the plurality of fluid flow paths comprising an inlet (110) to the slab. To the outlet (120), the plurality of channels being at least two main channels (10, 10) interconnected by at least a plurality of bridging channels (31-34, 36-37). 20), the plurality of bridging channels are not further branched between their respective attachment points to their main channels, and the bridging channels (31-34, 36-37) are in the flow direction. Has a locally increasing cross section, and the bridging channels (31-34, 36-37) have a locally decreasing cross section in the flow direction downstream of the local increase in the cross section. The present invention also relates to a method for manufacturing a heat sink.

Description

発明分野
本発明は、ヒートシンクの分野に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the field of heat sinks.

背景
ヒートシンクは、他の装置によって生成された熱を流動媒体に伝達する物理的な構造物であり、流動媒体はその後、装置から離れるように案内される。
BACKGROUND A heat sink is a physical structure that transfers the heat generated by another device to a fluidized medium, which is then guided away from the device.

構成要素の冷却は、産業において繰り返し起こる問題である。その一つの理由は、構成要素の寿命が動作温度に強く依存している場合が非常に多いことである。それゆえ、最高温度を特定の制限温度未満に保つために、構成要素に能動冷却が適用される。そのような構成要素の例は、レーザからエンジン、およびパワーエレクトロニクスにわたる。また、製品は製造中に冷却が必要な場合がある。たとえば、鋳造の場合がそうである。鋳造中に能動冷却を適用することによって、サイクル時間が減少し、その結果、生産性が増大する。しかしながら、冷却が不十分だと、製品の品質が低下することがある。 Component cooling is a recurring problem in the industry. One reason is that the lifetime of components is very often highly dependent on operating temperature. Therefore, active cooling is applied to the components to keep the maximum temperature below a certain limiting temperature. Examples of such components range from lasers to engines to power electronics. Also, the product may require cooling during manufacture. This is the case, for example, in the case of casting. By applying active cooling during casting, cycle time is reduced resulting in increased productivity. However, inadequate cooling can result in poor product quality.

液体冷却プレートは基本的に、液体冷却液が流れるヒートシンクである。冷却プレートには様々な熱源が搭載される。そのような一般的な冷却プレートに共通するデザインは、全ての熱源にわたって延びる1つの曲がりくねった冷却流路を有する金属プレートである。しかしながら、従来の曲がりくねったヒートシンクでは、曲がりくねった流路に沿って流体が熱くなり、流路の端部付近の冷却に悪影響を及ぼしていた。 The liquid cooling plate is basically a heat sink through which the liquid cooling liquid flows. Various heat sources are mounted on the cooling plate. A common design for such common cooling plates is a metal plate with one meandering cooling channel extending across all heat sources. However, in the conventional meandering heat sink, the fluid becomes hot along the meandering flow path, which adversely affects the cooling near the ends of the flow path.

T. Van Oevelen(KU Leuven、2014年11月)の博士論文「Optimal Heat Sink Design for Liquid Cooling of Electronics(電子機器の液体冷却に最適なヒートシンクデザイン)」では、マイクロヒートシンクのための高度な数値設計方法について詳しく述べられている。単一のマイクロ流路の形状最適化と、ヒートシンクのトポロジー最適化の2つのアプローチについて述べられている。トポロジー最適化の問題は、固形物を流体から区別するために用いられる2次元モデルで用いられる仮想的多孔度(fictitious porosity)を最適に制御することによって解決される。この論文によると、理論上は曲がりくねったヒートシンクに改良が加えられるが、たとえば温度勾配を減らすという観点では、プレートの「中実の」一部が多孔性であるモデルと、基本的に無限に幅の狭い流路を用いる可能性とを用いるために、その結果は、現実の製造では実用的ではない。 T. Van Oevelen (KU Leuven, November 2014) dissertation “Optimal Heat Sink Design for Liquid Cooling of Electronics”, advanced numerical design for micro heat sink The method is detailed. Two approaches are described: shape optimization of a single microchannel and heatsink topology optimization. The problem of topology optimization is solved by optimally controlling the fictitious porosity used in the two-dimensional model used to distinguish solids from fluids. According to this paper, improvements are theoretically made to the serpentine heat sink, but in terms of, for example, reducing the temperature gradient, a model in which the "solid" part of the plate is porous and basically infinitely wide. Because of the possibility of using narrow channels of the result, the result is not practical in actual manufacturing.

Volkswagen DEの名義のドイツ特許出願公開公報第10 2011 118483 号では、先端側から後側にその長手方向が方向付けられたケーシングを含む熱交換器が開示されている。中実部分の構成された伝熱面は、相互に間隔をおいて配置された伝熱要素を有する平面状のベース面を有する。伝熱要素は、ベースに平行な突起部として並べられている。ベースの方向付けられた断面は、最大長さが最大幅よりも大きくなるように、長手方向に垂直な異なる幅および長手方向に平行な異なる長さで設定されている。 German Patent Application Publication No. 10 2011 118483 in the name of Volkswagen DE discloses a heat exchanger including a casing whose longitudinal direction is oriented from the front side to the rear side. The configured heat transfer surface of the solid portion has a planar base surface having heat transfer elements spaced apart from each other. The heat transfer elements are arranged as protrusions parallel to the base. The oriented cross-section of the base is set with different widths perpendicular to the longitudinal direction and different lengths parallel to the longitudinal direction such that the maximum length is greater than the maximum width.

株式会社豊田自動織機に譲渡された米国特許出願公開第2014/091453号では、基体と複数の放熱フィンとを備える冷却装置が開示されている。基体は、外面、内面、入口、および出口を含む。発熱体が、基体の外面に接続されている。放熱フィンは、基体の内部において発熱体の近くに設けられている。放熱フィンは、入口から出口に配置されている。各放熱フィンは、冷却媒体の流動方向の寸法と、冷却媒体の流動方向と直交する幅方向の寸法とを有する横断面を有する。流動方向の寸法は、横方向の寸法よりも大きい。放熱フィンは、横方向に所定の距離だけ間隔をおいて配置されている。 U.S. Patent Application Publication No. 2014/091453 assigned to Toyota Industries Corporation discloses a cooling device including a base and a plurality of heat radiation fins. The substrate includes an outer surface, an inner surface, an inlet, and an outlet. A heating element is connected to the outer surface of the base. The radiating fin is provided inside the base body near the heating element. The radiating fins are arranged from the inlet to the outlet. Each radiating fin has a cross section having a dimension in the flow direction of the cooling medium and a dimension in the width direction orthogonal to the flow direction of the cooling medium. The dimension in the flow direction is larger than the dimension in the lateral direction. The radiating fins are arranged laterally at a predetermined distance.

Paul Hoffmanなどの名義の米国特許出願公開第2009/145581号では、装置から均一に熱の放散/除去を行うための非線形フィンヒートシンクが開示されており、このヒートシンクでは、小さく比較的軽量のヒートシンクを提供するものの、発熱が当該装置にわたって不均一である。ヒートシンクは、張り出した表面突起を有し、これらの表面突起は、ヒートシンクが、冷却液媒体の温度上昇を相殺し冷却液の温度について冷却を高めること、冷却液媒体の局所的な物性に従って最適な冷却効率を提供すること、伝熱を実現するための流体、たとえば、冷却液、ガス冷却液、またはそれらの組合せと共に用いられるようにすることを可能にする対流熱伝達と伝導性熱伝達と流れ抵抗とを認識して、最適に成形されると主張されている。さらに、ヒートシンクは、冷却液の流れが通過するフィンアレイによる冷却液の流れの乱流促進を特徴としており、そのようなフィンアレイは、容積と流れ抵抗とを同時に低減しつつ最適な冷却をもたらす非線形形状、間隔、および高さパターンを特徴としている。 US Patent Application Publication No. 2009/145581 in the name of Paul Hoffman et al. discloses a non-linear fin heat sink for uniform heat dissipation/removal from a device, which provides a small and relatively lightweight heat sink. Although provided, the heat generation is non-uniform across the device. The heat sink has overhanging surface protrusions, which are optimal for the local physical properties of the coolant medium, because the heat sink cancels out the temperature rise of the coolant medium and enhances the cooling with respect to the temperature of the coolant medium. Convective heat transfer and conductive heat transfer and flow that allow to provide cooling efficiency and to be used with fluids to achieve heat transfer, such as cooling liquids, gas cooling liquids, or combinations thereof. It is claimed that it is molded optimally, recognizing resistance. In addition, the heat sink features turbulence enhancement of the cooling liquid flow by the fin array through which the cooling liquid flow passes, such fin array providing optimal cooling while simultaneously reducing volume and flow resistance. It features nonlinear shapes, spacing, and height patterns.

A. Kosarなどによる論文「TCPT-2006-096.R2:Micro Scale pin fin Heat Sinks - Parametric Performance Evaluation Study(マイクロスケールピンフィンヒートシンク―パラメトリック性能評価の研究)」IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, vol. 30, no. 4では、異なる間隔、配置、および形状の5つのマイクロピンフィンヒートシンクについて、脱イオン水の強制流動と関連する、伝熱および圧力損失についての実験的に行われたパラメトリック研究が示されている。ヌッセルト数および摩擦係数が、14〜720の範囲のレイノルズ数について得られた。熱的および水力的結果は、固定された質量流量、固定された圧力損失、および固定されたポンプ能力でヒートシンクの性能の評価および比較するために得られた。非流線形ピンフィン装置について臨界レイノルズ数によって分離された、レイノルズ数に対するヌッセルト数の依存性の2つの別個の領域が識別された一方で、流線形装置では、傾斜の変化が見られなかった。ピンの間隔、形状、ならびに配置の摩擦係数および伝熱に対する影響は、既存の文献と整合した。これらの結果によると、流線型ピンフィンヒートシンクの使用により、ヒートシンクの熱的および水力的性能が著しく増大されるが、レイノルズ数は中程度でしかない。 A. Kosar et al. "TCPT-2006-096.R2: Micro Scale pin fin Heat Sinks-Parametric Performance Evaluation Study" IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, vol. 30 , no. 4 presents an experimental parametric study of heat transfer and pressure drop associated with forced flow of deionized water for five micro-pin fin heat sinks of different spacing, configuration and shape. There is. Nusselt numbers and coefficients of friction were obtained for Reynolds numbers in the range 14-720. Thermal and hydraulic results were obtained to evaluate and compare the performance of heat sinks with a fixed mass flow rate, a fixed pressure drop, and a fixed pumping capacity. Two distinct regions of the dependence of the Nusselt number on the Reynolds number, separated by the critical Reynolds number for the non-streamline Pinfin device, were identified, while the streamliner did not show a change in slope. The effect of pin spacing, shape, and placement on the coefficient of friction and heat transfer was consistent with existing literature. These results show that the use of streamlined pin fin heatsinks significantly increases the thermal and hydraulic performance of the heatsinks, but only moderate Reynolds numbers.

これらの既存の解決策は、熱効率と圧力損失との十分なトレードオフを提供するようには思えない。したがって、改良されたヒートシンクが依然として必要である。 These existing solutions do not seem to offer a good trade-off between thermal efficiency and pressure drop. Therefore, there remains a need for improved heat sinks.

概要
本発明の実施形態は、特に工業環境での使用について、トポロジー最適化によって可能になる新しい冷却の解決策を提示する。
Overview Embodiments of the present invention present new cooling solutions enabled by topology optimization, especially for use in industrial environments.

本発明のある実施形態によれば、ヒートシンクが提供され、ヒートシンクは、実質的に平面状で中実のスラブを備え、複数の流体流路が設けられ、複数の流体流路は、スラブの入口から出口に冷却液を運ぶように形成され、複数の流路は、少なくとも複数のブリッジング流路によって相互接続された少なくとも2つの主流路を含み、複数のブリッジング流路は、それらの主流路へのそれぞれの取付け点の間でさらに分岐しておらず、ブリッジング流路は、流れ方向に局所的に増加する断面を有し、ブリッジング流路は、断面における上記局所的な増加の下流で、流れ方向に局所的に減少する断面を有する。 According to one embodiment of the present invention, a heat sink is provided, the heat sink comprising a substantially planar, solid slab, a plurality of fluid passages being provided, the plurality of fluid passages being at an inlet of the slab. A plurality of flow passages, the plurality of flow passages including at least two main flow passages interconnected by at least a plurality of bridging flow passages, the plurality of bridging flow passages including the main flow passages. No further divergence between their respective attachment points to the bridging channel has a locally increasing cross section in the flow direction, the bridging channel being downstream of said local increase in cross section. And has a cross section that locally decreases in the flow direction.

「スラブ」という用語は、実質的に平行の上面および底面ならびに周縁を有するプレート状構造物を表すために用いられ、上面および/または底面は、熱が取り除かれる熱源と接触させられる。周縁は典型的に矩形を規定するが、用途によっては他の多角形状および非多角形状が好ましい場合がある。 The term “slab” is used to describe a plate-like structure having substantially parallel top and bottom surfaces and a perimeter, the top and/or bottom surfaces being in contact with a heat source from which heat is removed. The perimeter typically defines a rectangle, although other polygonal and non-polygonal shapes may be preferred depending on the application.

本明細書では、「主流路」という用語は、他の流路によって相互接続された流路の広がりを表すために用いられる。本発明に係るヒートシンクは2つ以上の主流路を有してもよく、これらの主流路は、典型的に何らかの対称な構成を呈するが、必須ではない。 The term "main channel" is used herein to describe the extent of channels interconnected by other channels. The heat sink according to the present invention may have more than one main flow path, which main flow paths typically exhibit some symmetrical configuration, but are not required.

主流路の対を相互接続する流路のうちいくつかまたは全ては、特許請求に係る発明の意味では「ブリッシング流路」と考えることができ、流れ方向に局所的に増加し、断面におけるこの局所的な増加の下流で、流れ方向に局所的に減少する断面がブリッジング流路に設けられていること、および、ブリッジング流路が主流路へのそれぞれの取付け点の間でさらに分岐しないことを表す。 Some or all of the flow passages interconnecting the pairs of main flow passages can be considered as "brishing flow passages" in the sense of the claimed invention, increasing locally in the flow direction, Downstream of the positive increase, the bridging channel is provided with a cross-section that decreases locally in the flow direction, and the bridging channel does not further branch between its respective attachment points to the main channel. Represents.

本発明は特に、流れ方向に局所的に増加する断面を有するブリッジング流路を提供することによって、圧力損失と流量との間でより最適な均衡をとることができるという、発明者らの驚くべき知見に基づいている。許容できる圧力損失は典型的に、外部状況(たとえば、使用される冷却液ポンプの特徴)によって決められるため、特定の所与の圧力について流体の流れ(およびそれゆえ、熱輸送)を最大化することは、ヒートシンクに大いに求められる特性である。文献では理論考察上、流れ方向に狭くなる流路の使用が示唆されているが、この示唆に反して局所的に拡張する段を示すブリッジング流路を用いることによって、驚くほど良好な流量が得られた。 It is surprising to the inventors that the present invention provides a more optimal balance between pressure drop and flow rate, in particular by providing a bridging channel with a locally increasing cross section in the flow direction. It is based on the knowledge that should be. Acceptable pressure drop is typically determined by external conditions (eg, the characteristics of the coolant pump used), thus maximizing fluid flow (and hence heat transfer) for a given given pressure This is a property that heat sinks are highly demanded. In the literature, theoretical consideration suggests the use of a channel that narrows in the direction of flow, but contrary to this suggestion, by using a bridging channel that exhibits locally expanding stages, a surprisingly good flow rate is achieved. Was obtained.

さらに、ブリッジング流路は、流体を運ぶ主流路に到達する前に、上述の狭窄部の下流で再び狭くなる。発明者らは、このような配置によって、流路にわたる圧力損失を抑制する、ブリッジング流路のより広い「中間セクション」が可能になることを発見した。特に、より広い「中間セクション」とブリッジング流路の流入部および流出部における狭窄部との組合せによって、流路にわたる圧力損失と廃熱効率との間の最適な設計トレードオフが可能になる。 Furthermore, the bridging channel narrows again downstream of the constriction described above, before reaching the main channel carrying the fluid. The inventors have discovered that such an arrangement allows for a wider "middle section" of bridging channels that suppresses pressure drop across the channels. In particular, the combination of the wider "middle section" and the constrictions at the inflow and outflow of the bridging channel allows an optimal design trade-off between pressure loss across the channel and waste heat efficiency.

本発明に係るヒートシンクのある実施形態では、主流路は、ブリッジング流路の最大断面よりも大きな最小断面を有する。 In one embodiment of the heat sink according to the present invention, the main flow path has a minimum cross section that is larger than the maximum cross section of the bridging flow path.

本発明に係るヒートシンクのある実施形態では、主流路は、流れ方向にヒートシンクの外寸の長さの少なくとも1/3、好ましくは少なくとも1/2、より好ましくは少なくとも2/3、または最も好ましくは3/4までもにわたって、実質的に直線の軌跡を辿る。 In some embodiments of the heat sink according to the present invention, the main flow path has at least 1/3, preferably at least 1/2, more preferably at least 2/3, or most preferably the outer dimension of the heat sink in the flow direction. It follows a substantially linear trajectory for up to 3/4.

主流路は、実質的に同じ長さ、たとえば、上述の最小長さを満たす長さの、複数の実質的に直線の部分で構成可能である。 The main flow path can be composed of a plurality of substantially straight sections of substantially the same length, eg, a length that meets the minimum lengths described above.

これらの配置によって、スラブを通過する冷却流体の全体的な流れを主流路が規定し、ブリッジング流路が、単位領域毎に吸収および廃熱可能な熱の量を局所的に調整する設計が可能になる。 With these arrangements, the main flow path defines the overall flow of cooling fluid through the slab, and the bridging flow path has a design that locally adjusts the amount of heat that can be absorbed and wasted per unit area. It will be possible.

本発明に係るヒートシンクのある実施形態では、断面のこの局所的な増加は、ブリッジング流路の上流に位置する主流路のうちの1つとの接続点から始まる。 In one embodiment of the heat sink according to the invention, this local increase in cross section begins at the point of connection with one of the main channels located upstream of the bridging channel.

本実施形態では、ブリッジング流路は、それらが流れを受ける主流路に接続されている地点において断面狭窄部を呈する。発明者らは、このような狭窄部がそのようなブリッジング流路を通過する質量流量を調整するという特に効果的な特徴であり、それによって、これらの地点での熱交換および廃熱が改良されることを発見した。 In this embodiment, the bridging channels present a cross-sectional constriction at the point where they are connected to the main channel through which they flow. The inventors have a particularly effective feature that such constrictions regulate the mass flow rate through such bridging channels, thereby improving heat exchange and waste heat at these points. I was discovered.

本発明に係るヒートシンクのある実施形態では、流体流路間に残る中実のスラブの部分は、複数の対称軸を呈さない島を形成し、異なる島形状が生じる。 In some embodiments of the heat sink according to the present invention, the portion of the solid slab that remains between the fluid flow paths forms islands that do not exhibit multiple axes of symmetry, resulting in different island shapes.

本実施形態では、島(「フィン」とも呼ばれる)は幾分か幾何学的な変化を示し、冷却流体の経路全体に沿って伝熱特性の変化を可能にする。 In this embodiment, the islands (also called "fins") exhibit some geometrical change, allowing for changes in heat transfer characteristics along the entire path of the cooling fluid.

本発明に係るヒートシンクのある実施形態では、入口および/または出口は、スラブの周囲に設けられている。 In one embodiment of the heat sink according to the present invention, the inlet and/or the outlet are provided around the slab.

実質的に平面状で中実のスラブの主面上に入口および/または出口を有することも同様に可能であるが、ヒートシンク全体が実質的に平面状のままであり、それによって、使用可能な設置高さが制限される空間をより効率的に使用できることが、周囲に入口および出口を設ける利点である。 It is likewise possible to have the inlet and/or the outlet on the major surface of a substantially planar, solid slab, but the entire heat sink remains substantially planar, thereby making it usable. The more efficient use of space with a limited installation height is an advantage of having inlets and outlets around.

本発明に係るヒートシンクのある実施形態では、複数の流体流路は、共通の最小幅を有する。 In some embodiments of the heat sink according to the present invention, the plurality of fluid flow paths have a common minimum width.

同じ生産プロセスでスラブに複数の流路を製造できることが、本実施形態の利点である。たとえば、0.1mmの共通最小幅だと、流路がCNCミリングなどによる製造に好適になる一方で、0.5mmの共通最小幅が、SLMを用いた金属印刷によって得られる。 It is an advantage of this embodiment that multiple channels can be manufactured in the slab in the same production process. For example, a common minimum width of 0.1 mm makes the channels suitable for manufacturing such as by CNC milling, while a common minimum width of 0.5 mm is obtained by metal printing using an SLM.

本発明に係るヒートシンクのある実施形態では、実質的に平面状で中実のスラブは、蓋を有する主面のうちの1つの表面上に設けられており、蓋は、複数の流路の間に存在するスラブ材料と係合する接続手段によって固定されている。 In one embodiment of the heat sink according to the present invention, the substantially planar and solid slab is provided on one surface of the major surface having the lid, the lid being between the plurality of flow paths. Is secured by connecting means which engage the slab material present in the.

CNCミリングなどの公知の生産プロセスによって複数の流路を有するスラブの生産が可能になり、それによって、流路が開放した端部において蓋によって閉鎖されることが、本実施形態の利点である。接続手段(ねじまたはボルトなどの従来のコネクタを含み得るが、接着剤および溶接部も含む)が流路間に存在するスラブ材料と係合するため、これらは冷却効率を妨げることはない。 It is an advantage of this embodiment that known production processes such as CNC milling allow the production of slabs with multiple channels, whereby the channels are closed by a lid at the open end. They do not interfere with the cooling efficiency because the connecting means (which may include conventional connectors such as screws or bolts, but also adhesives and welds) engage the slab material present between the channels.

本発明のある態様によると、上述のヒートシンクを製造する方法が提供され、この方法は、ある量の原材料を実質的に平面状で中実のスラブの大きさに切断することと、複数の流路が少なくとも複数のブリッジング流路によって相互接続された少なくとも2つの主流路を含むように、かつ、ブリッジング流路が流れ方向に局所的に増加する断面を有するように、実質的に平面状で中実のスラブの全厚さよりも小さな深さまで、複数の流路を実質的に平面状で中実のスラブ内に加工することと、実質的に平面状の蓋を、加工されたスラブ上に配置することとを備える。 According to one aspect of the invention, there is provided a method of manufacturing a heat sink as described above, the method comprising cutting a quantity of raw material into substantially planar, solid slab sizes and a plurality of streams. Substantially planar, such that the passage comprises at least two main passages interconnected by at least a plurality of bridging passages and the bridging passages have a locally increasing cross section in the flow direction. Machining a plurality of channels into a substantially planar solid slab to a depth less than the total thickness of the solid slab with a substantially planar lid on the machined slab. And arranging in.

本発明に係る方法の実施形態の技術的効果および利点は、本発明に係るヒートシンクの対応する実施形態の技術的効果および利点に、必要な変更を加えて対応する。 The technical effects and advantages of the embodiments of the method according to the invention correspond, mutatis mutandis, to the technical effects and advantages of the corresponding embodiments of the heat sink according to the invention.

本発明の実施形態のこれらおよび他の特徴について、添付の図面を参照して以下でより詳細に説明する。 These and other features of embodiments of the present invention are described in more detail below with reference to the accompanying drawings.

本発明に係るヒートシンクの第1の実施形態の2次元画像を示す図である。It is a figure which shows the two-dimensional image of 1st Embodiment of the heat sink which concerns on this invention. 本発明に係るヒートシンクの第2の実施形態の2次元画像を示す図である。It is a figure which shows the two-dimensional image of 2nd Embodiment of the heat sink which concerns on this invention. 本発明に係るヒートシンクの第3の実施形態の2次元画像を示す図である。It is a figure which shows the two-dimensional image of 3rd Embodiment of the heat sink which concerns on this invention. 従来技術で知られているような曲がりくねった流路を有する、例示的なヒートシンクを示す図である。FIG. 6 illustrates an exemplary heat sink having a tortuous flow path as known in the art. 本発明に係る方法のある実施形態のフローチャートを示す図である。FIG. 6 shows a flow chart of an embodiment of the method according to the invention.

実施形態の説明
上述のように、ヒートシンクは、他の装置によって生成された熱を液体媒体(以降では「冷却液」とも呼ばれる)に伝達する物理的な構造物であり、液体媒体はその後、装置から離れるように案内される。液体冷却プレートは基本的に、液体冷却液が流れるヒートシンクである。伝熱は、液体冷却プレートの流路を通過する冷却液の流動特性(たとえば、流れが層流であるか乱流であるか)の影響を受けるが、これは、流路の形状、冷却液の性質および流量によって決まる。効率的な伝熱は、冷却液における対流によって得られる。
Description of Embodiments As mentioned above, a heat sink is a physical structure that transfers heat generated by other devices to a liquid medium (hereinafter also referred to as a "cooling liquid"), which liquid medium is then transferred to the device. You will be guided away from. The liquid cooling plate is basically a heat sink through which the liquid cooling liquid flows. Heat transfer is affected by the flow characteristics of the cooling liquid passing through the channels of the liquid cooling plate (for example, whether the flow is laminar or turbulent), which depends on the shape of the channels, the cooling liquid. Depends on the nature and flow rate of. Efficient heat transfer is obtained by convection in the cooling liquid.

発明者らは、冷却プレートの液体流路の特定の真新しい設計が、低減された熱膨張、より低い最高温度、より均一な表面温度などの特定の基準を満たすのに好ましいことを発見した。本発明に係る設計は、組立における制約(ねじ)、製造における制約、構造的完全性、および制限された圧力降下などの該当する制約を満たすように適合可能である。 The inventors have discovered that a particular brand new design of the cooling plate liquid flow path is preferred to meet certain criteria such as reduced thermal expansion, lower maximum temperature, more uniform surface temperature. The design according to the present invention is adaptable to meet applicable constraints such as assembly constraints (screws), manufacturing constraints, structural integrity, and limited pressure drop.

一般に、本発明で求められる流路断面の変化は、流路の幅および/または深さを変えることによって得ることができる。本記載が2次元図面を参照するので、断面の変化は全て幅のみの変化によって得られると想定するが、これは、分かりやすくするためだけに行われるものであり、一般性を欠くものではない。 Generally, the change in the flow path cross section required in the present invention can be obtained by changing the width and/or the depth of the flow path. Since this description refers to a two-dimensional drawing, it is assumed that all changes in cross section are obtained by changes in width only, but this is done for clarity only and is not general. ..

図1は、本発明に係るヒートシンクの第1の実施形態の2次元画像を示す図である。
ヒートシンク100は、複数の流体流路が設けられた、実質的に平面状で中実のスラブを備える。複数の流体流路は、冷却液をスラブの入口110から出口120に運ぶように形成されている。本実施形態では、スラブは、非通過性の縁によって周囲の境界がつけられており、入口110および出口120はそれぞれ、当該縁における中断であり、それを通過して冷却液がヒートシンク100に入るまたはヒートシンク100から離れる。入口110および出口120がスラブ101の両側に配置されているため、冷却液は基本的に、スラブを左から右へと進む。
FIG. 1 is a diagram showing a two-dimensional image of a first embodiment of a heat sink according to the present invention.
The heat sink 100 comprises a substantially planar, solid slab provided with a plurality of fluid flow paths. A plurality of fluid flow passages are formed to carry the cooling liquid from the slab inlet 110 to the outlet 120. In the present embodiment, the slab is bounded by impermeable edges around which the inlet 110 and the outlet 120 are interruptions, respectively, through which the coolant enters the heat sink 100. Alternatively, it is separated from the heat sink 100. Since the inlet 110 and outlet 120 are located on both sides of the slab 101, the cooling liquid basically travels through the slab from left to right.

複数の流路は、少なくとも複数のブリッジング流路31〜34および35〜37によって相互接続された少なくとも2つの主流路10、20を含む。当業者であれば、中心の横軸の周りに図1の配置が対称であると分かり、図面および説明を簡潔にするために、図1の下半分における主流路20およびブリッジング流路31〜37と同等のものには番号が付けられていないが、当然のことながら、それらの動作は同一であると分かるであろう。 The plurality of channels include at least two main channels 10, 20 interconnected by at least a plurality of bridging channels 31-34 and 35-37. Those skilled in the art will appreciate that the arrangement of FIG. 1 is symmetrical about the central horizontal axis and, for the sake of simplicity of the drawing and description, the main flow path 20 and bridging flow paths 31-31 in the lower half of FIG. The equivalents of 37 are not numbered, but, of course, their operation will prove to be identical.

ブリッジング流路31〜34および36〜37は、流れ方向(すなわち、図では主流路10から主流路20に向かう方向)に局所的に増加する断面を有する。実際は、断面の局所的な増加は、ブリッジング流路31〜34および36〜37の上流に位置する主流路10との接続点から始まって、当該接続点においてまたはその付近で狭窄部を形成することが分かる。 The bridging channels 31-34 and 36-37 have cross-sections that locally increase in the flow direction (that is, the direction from the main channel 10 toward the main channel 20 in the figure). In practice, the local increase in cross section begins at the point of connection with the main channel 10 upstream of the bridging channels 31-34 and 36-37 and forms a constriction at or near that point. I understand.

また、ブリッジング流路31〜34および36〜37が枝分かれしないこと、および、これらのブリッジング流路が断面の局所的な増加の下流で流れ方向に局所的に減少する断面を有することも分かる。これは、ブリッジング流路31〜34および36〜37の下流に位置する主流路20との接続点付近で、第2の狭窄部として明示されている。 It can also be seen that the bridging channels 31-34 and 36-37 do not branch and that these bridging channels have a cross-section that locally decreases in the flow direction downstream of the local increase in cross-section. .. This is clearly indicated as the second narrowed portion in the vicinity of the connection point with the main flow path 20 located downstream of the bridging flow paths 31 to 34 and 36 to 37.

図2は、本発明に係るヒートシンクの第2の実施形態の2次元画像を示す図である。
ヒートシンク100は、複数の流体流路が設けられた、実質的に平面状で中実のスラブ101を備える。複数の流体流路は、スラブの入口110から出口120に冷却液を運ぶように形成されている。本実施形態では、スラブは非透過性の縁によって周囲の境界をつけられており、入口110および出口120は、スラブ101の周囲に設けられており、流体輸送管などのための取付け地点が設けられている。入口110および出口120が スラブ101の両側に配置されているため、冷却液は基本的に、スラブを左から右へと進む。
FIG. 2 is a diagram showing a two-dimensional image of the second embodiment of the heat sink according to the present invention.
The heat sink 100 comprises a substantially planar, solid slab 101 provided with a plurality of fluid channels. A plurality of fluid channels are formed to carry the cooling liquid from the inlet 110 of the slab to the outlet 120. In this embodiment, the slab is bounded by impermeable edges and the inlet 110 and outlet 120 are provided around the slab 101, providing mounting points for fluid transport pipes and the like. Has been. Since the inlet 110 and outlet 120 are located on both sides of the slab 101, the cooling liquid basically travels through the slab from left to right.

複数の流路は、少なくとも複数のブリッジング流路31、31’によって相互接続された少なくとも2つの主流路10、20、20’を含む。当業者であれば、中心の横軸の周りに図1の配置が対称であると分かるであろう。 The plurality of channels include at least two main channels 10, 20, 20' interconnected by at least a plurality of bridging channels 31, 31'. Those skilled in the art will appreciate that the arrangement of FIG. 1 is symmetrical about the central horizontal axis.

ブリッジング流路31、31’は、流れ方向(すなわち、図では主流路10から主流路20/20’に向かう方向)に局所的に増加する断面を有する。実際は、断面の局所的な増加は、ブリッジング流路31、31’の上流に位置する主流路10との接続点から始まって、当該接続点においてまたはその付近で狭窄部を形成することが分かる。 The bridging channels 31, 31' have a cross-section that increases locally in the flow direction (ie, the direction from the main channel 10 towards the main channel 20/20' in the figure). In practice, it can be seen that the local increase in cross section begins at the point of connection with the main channel 10 located upstream of the bridging channels 31, 31' and forms a constriction at or near that point. ..

流路および流路間のスラブ材料の島が、不規則な、高エントロピーパターンを示すこと、すなわち、入口および出口の配置による対称性(図示された場合では、中央の横軸について対称性)の他にパターンに識別できる規則性がないことが、図1および図2に示された実施形態の特徴である。個々の島は、複数の対称軸を呈さず、多くの異なる島形状が発生する傾向がある。島のなかには、近づいてくる流れに合わせたくさび形状の特徴を有し、流路を複数の流路に分岐させるものもある。 The channels and the islands of slab material between the channels exhibit an irregular, high entropy pattern, ie symmetry due to the arrangement of inlets and outlets (in the case shown, symmetry about the central horizontal axis). The absence of any other discernible regularity in the pattern is a feature of the embodiments shown in FIGS. Individual islands do not exhibit multiple axes of symmetry, and many different island shapes tend to occur. Some islands have a wedge-shaped feature that matches the approaching flow and divide the flow path into multiple flow paths.

図3は、本発明に係るヒートシンクの第3の実施形態の2次元画像を示す図である。
ヒートシンク100は、複数の流体流路が設けられた、実質的に平面状の中実のスラブ101を備える。複数の流体流路は、スラブの入口110から出口120に冷却液を運ぶように形成されている。本実施形態では、スラブは、非透過性の縁によって周囲の境界がつけられており、入口110および出口120は、スラブ101の周囲に設けられており、スラブには、流体輸送管などのための取付け地点が設けられている。入口110および出口120がスラブ101の同じ側に配置されているため、冷却液は基本的に、スラブを通過してUターンする。
FIG. 3 is a diagram showing a two-dimensional image of the third embodiment of the heat sink according to the present invention.
The heat sink 100 comprises a substantially planar solid slab 101 provided with a plurality of fluid channels. A plurality of fluid channels are formed to carry the cooling liquid from the inlet 110 of the slab to the outlet 120. In this embodiment, the slab is bounded by impermeable edges, and an inlet 110 and an outlet 120 are provided around the slab 101, the slab being for fluid transport pipes and the like. There is a mounting point. Because the inlet 110 and outlet 120 are located on the same side of the slab 101, the cooling fluid basically makes a U-turn through the slab.

複数の流路は、少なくとも複数のブリッジング流路31〜33によって相互接続された少なくとも2つの主流路10、20を含む。 The plurality of channels includes at least two main channels 10, 20 interconnected by at least a plurality of bridging channels 31-33.

ブリッジング流路31〜33は、流れ方向(すなわち、図では主流路10から主流路20に向かう方向)に沿って局所的に増加する断面を有する。実際は、断面の局所的な増加は、ブリッジング流路31〜33の上流に位置する主流路10との接続点から始まって、当該接続点においてまたはその付近で狭窄部を形成することが分かる。 The bridging channels 31 to 33 have a cross section that locally increases along the flow direction (that is, the direction from the main channel 10 toward the main channel 20 in the drawing). In fact, it can be seen that the local increase in cross section begins at the connection point with the main flow path 10 located upstream of the bridging flow paths 31-33 and forms a constriction at or near that connection point.

また、ブリッジング流路31〜33は分岐せず、断面の局所的な増加の下流で、流れ方向に局所的に減少する断面を有することが分かる。これは、ブリッジング流路31〜33の下流に位置する主流路20との接続点付近で、第2の狭窄部として明示されている。 It can also be seen that the bridging channels 31-33 do not branch and have a cross section that locally decreases in the flow direction downstream of the local increase in cross section. This is clearly indicated as the second narrowed portion in the vicinity of the connection point with the main flow passage 20 located downstream of the bridging flow passages 31 to 33.

なお、「主流路」および「ブリッジング流路」に流路の単一の固有のパーティションが必ずしもあるわけではなく、少なくとも2つの主流路が少なくとも複数のブリッジング流路で相互接続されるという要件を満たす各実施形態において、少なくとも1つのそのようなパーティションがあり(たとえば、それぞれの図面で示されるパーティション)、当該ブリッジング流路は、流れ方向に局所的に増加する断面を有する。 It should be noted that the "main flow path" and the "bridging flow path" do not necessarily have a single unique partition of the flow path, and the requirement that at least two main flow paths are interconnected by at least a plurality of bridging flow paths. In each satisfying embodiment, there is at least one such partition (eg, the partition shown in the respective figures), and the bridging channel has a locally increasing cross section in the flow direction.

図面を通して、1つの入口と1つの出口のみが示されているが、2つ以上の入口および/または2つ以上の出口を有することも同様に可能である。図面を通して、図示された入口および出口は、スラブの平面における周囲に沿って配置されているが、ヒートシンクの主面に接続する1つ以上の入口および/または1つ以上の出口を有することも同様に可能である。 Although only one inlet and one outlet are shown throughout the drawings, it is likewise possible to have more than one inlet and/or more than one outlet. Throughout the drawings, the illustrated inlets and outlets are arranged along the perimeter in the plane of the slab, but it is equally possible to have one or more inlets and/or one or more outlets connecting to the main surface of the heat sink. Is possible.

比較のために、図4は、従来技術で知られているような曲がりくねった流路を有する例示的なヒートシンクを示す。構成は、0.002mの厚さを有する鋼板(黒)に搭載された水冷式のアルミニウムヒートシンク(灰色)に関する。この鋼板は、10cm×10cmの正方形である。入口110および出口120は、ヒートシンクの1つの周囲端部に設けられており、これらは両方とも、1cm×1cmの正方形の断面を有する。1つの曲がりくねった冷却液流路は、入口110から出口120に延びる、すなわち、冷却液流路が、図4に示す本発明に係るヒートシンクと同じ量の材料、すなわち60.3%の材料になるように設計されている。 For comparison, FIG. 4 shows an exemplary heat sink having a tortuous flow path as is known in the art. The configuration relates to a water-cooled aluminum heat sink (grey) mounted on a steel plate (black) having a thickness of 0.002 m. This steel plate is a 10 cm×10 cm square. Inlet 110 and outlet 120 are provided at one peripheral edge of the heat sink, both of which have a 1 cm x 1 cm square cross section. One serpentine coolant flow path extends from the inlet 110 to the outlet 120, ie the coolant flow path is the same amount of material as the heat sink according to the invention shown in FIG. 4, ie 60.3% material. Is designed to be.

本比較のシミュレーションの目的で、入口側110で0.1m/sの均一な水の速度が課されている。入口での冷却液の温度(Tin)は、293Kとする。鋼板は、10kW/mの熱流束で下方から均一に加熱される。 For the purposes of this comparative simulation, a uniform water velocity of 0.1 m/s is imposed on the inlet side 110. The temperature (T in ) of the cooling liquid at the inlet is 293K. The steel sheet is uniformly heated from below with a heat flux of 10 kW/m 2 .

図4および図5の設計の熱性能は、熱源の場所でもある鋼板の底部で測定される。図4および図5の設計の比較は以下の通りである。 The thermal performance of the designs of Figures 4 and 5 is measured at the bottom of the steel sheet, which is also the location of the heat source. A comparison of the designs of FIGS. 4 and 5 is as follows.

ヒートシンクの材料の量が同じで、入口における冷却液の温度および速度が同じで、かつ、入口および出口において位置決めが同じである場合、平均温度および最高温度は、本発明に係るヒートシンクで大幅に低いことが分かる。 If the amount of material of the heat sink is the same, the temperature and velocity of the coolant at the inlet are the same, and the positioning is the same at the inlet and the outlet, the average temperature and the maximum temperature are significantly lower in the heat sink according to the invention. I understand.

入口温度Tin、出口温度T、および全熱入力Q(Q = qA = 10 kW/m2 × 0.01 m2 = 100 W)において定義される熱抵抗Rthに関しても、以下で示すように同じ結論になる。 The same conclusions apply for the inlet temperature T in , the outlet temperature T, and the thermal resistance R th defined at the total heat input Q (Q = qA = 10 kW/m 2 × 0.01 m 2 = 100 W) as shown below. become.

Rth = (T ‐ Tin) / Q
本発明に係るヒートシンク上で観察される圧力損失は、先行技術に係るヒートシンク上で観察される圧力損失よりもほぼ1桁低く、この相違は、より良好な冷却を行うためにより小さな(安価な)冷却液ポンプを使用可能であるということを表すため、重要な技術経済的利益を有する。
R th = (T ‐ T in )/Q
The pressure drop observed on the heat sink according to the present invention is almost an order of magnitude lower than the pressure drop observed on the heat sink according to the prior art, this difference being smaller (cheaper) for better cooling. It has important techno-economic benefits because it represents that a coolant pump can be used.

本発明に係るヒートシンク、特に実質的に平面状のスラブにおける流路は、フライス加工、レーザー切断、エッチング、3D印刷、金属薄板成形(たとえば、型成形およびハイドロフォーミング)、および他の既知の製造方法で製造され得る。本発明に係るヒートシンク100を、複数の流体流路が製造技術に適した共通の最小幅を有するように設計することには、特に利点がある。 Flow paths in heat sinks according to the present invention, especially in substantially planar slabs, include milling, laser cutting, etching, 3D printing, sheet metal forming (eg, die forming and hydroforming), and other known manufacturing methods. Can be manufactured in. It is particularly advantageous to design the heat sink 100 according to the present invention so that the plurality of fluid flow paths have a common minimum width suitable for the manufacturing technology.

本発明に係るヒートシンク100の特定の製造方法を、図5に示す。この方法は、所望の形状を得るために、ある量の原材料を実質的に平面状で中実のスラブ101の大きさに切断すること1010を含む。ヒートシンクの多くは矩形であるが、他の形状も可能である。複数の流路は、複数の流路が少なくとも複数のブリッジング流路31〜37によって相互接続された少なくとも2つの主流路10、20を含むように、かつ、ブリッジング流路が流れ方向に局所的に増加する断面を有するように、実質的に平面状で中実のスラブの全厚さよりも小さな厚さまで、実質的に平面状で中実のスラブ内に加工される1020。最後に、実質的に平面状の蓋102が加工されたスラブ101の上に配置される1030。 A specific method of manufacturing the heat sink 100 according to the present invention is shown in FIG. The method includes cutting 1010 a quantity of raw material into a substantially planar, solid slab 101 size to obtain a desired shape. Many heat sinks are rectangular, but other shapes are possible. The plurality of flow channels include at least two main flow channels 10 and 20 interconnected by at least a plurality of bridging flow channels 31 to 37, and the bridging flow channels are locally arranged in the flow direction. 1020 machined into the substantially planar solid slab to a thickness that is less than the total thickness of the substantially planar solid slab to have a substantially increasing cross-section. Finally, a substantially planar lid 102 is placed 1030 on the machined slab 101.

本発明について特定の実施形態を参照して説明したが、これは、本発明を限定するのではなく明確にするためのものであり、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照して決められるべきものである。また、本明細書で説明された概念は、同様の効果で、熱交換器に適用可能であることにも留意すべきである。 Although the invention has been described with reference to particular embodiments, this is for the purpose of clarity rather than limitation of the invention, the scope of which is referred to the appended claims. Should be decided. It should also be noted that the concepts described herein are applicable to heat exchangers with similar effects.

Claims (9)

ヒートシンク(100)であって、実質的に平面状で中実のスラブ(101)を備え、複数の流体流路が設けられ、前記複数の流体流路は、前記スラブの入口(110)から出口(120)に冷却液を運ぶように形成され、
前記複数の流路は、少なくとも複数のブリッジング流路(31〜34、36〜37)によって相互接続された少なくとも2つの主流路(10、20)を含み、前記複数のブリッジング流路は、それらの前記主流路(31〜34、36〜37)へのそれぞれの取付け点の間でさらに分岐しておらず、
前記ブリッジング流路(31〜34、36〜37)は、流れ方向に局所的に増加する断面を有し、
前記ブリッジング流路(31〜34、36〜37)は、前記断面における局所的な増加の下流で、前記流れ方向に局所的に減少する断面を有する、ヒートシンク。
A heat sink (100) comprising a substantially planar, solid slab (101) provided with a plurality of fluid channels, the plurality of fluid channels being from an inlet (110) to an outlet of the slab. Formed to carry cooling liquid to (120),
The plurality of flow paths include at least two main flow paths (10, 20) interconnected by at least a plurality of bridging flow paths (31-34, 36-37), the plurality of bridging flow paths comprising: No further divergence between their respective attachment points to said main flow paths (31-34, 36-37),
The bridging channels (31-34, 36-37) have a cross-section that increases locally in the flow direction,
The heat sink, wherein the bridging channels (31-34, 36-37) have a cross section that locally decreases in the flow direction downstream of the local increase in the cross section.
前記主流路(10、20)は、そのブリッジング流路(31〜37)の最大断面よりも大きな最小断面を有する、請求項1に記載のヒートシンク(100)。 The heat sink (100) of claim 1, wherein the main flow path (10, 20) has a minimum cross section that is greater than a maximum cross section of the bridging flow path (31-37). 前記主流路(10、20)は、前記流れ方向に前記ヒートシンク(100)の外寸の長さの少なくとも1/3、好ましくは少なくとも1/2、より好ましくは少なくとも2/3、または最も好ましくは3/4までもの間、実質的に直線の軌跡を辿る、上記請求項のいずれか1項に記載のヒートシンク(100)。 The main flow paths (10, 20) are at least 1/3, preferably at least 1/2, more preferably at least 2/3, or most preferably the outer dimension length of the heat sink (100) in the flow direction. A heat sink (100) according to any one of the preceding claims, which follows a substantially linear trajectory for up to 3/4. 前記断面の局所的な増加は、前記ブリッジング流路(31〜37)の上流に位置する前記主流路(10)のうちの1つとの接続点から始まる、上記請求項のいずれか1項に記載のヒートシンク(100)。 A local increase in the cross-section starts from a point of connection with one of the main channels (10) located upstream of the bridging channels (31-37). The heat sink (100) as described. 前記流体流路間に残る前記中実のスラブの部分は、複数の対称軸を呈さない島を形成し、異なる島形状が生じる、上記請求項のいずれか1項に記載のヒートシンク(100)。 A heat sink (100) according to any one of the preceding claims, wherein the portion of the solid slab that remains between the fluid flow paths forms islands that do not exhibit multiple axes of symmetry, resulting in different island shapes. 前記入口(110)および/または前記出口(120)は、前記スラブ(101)の周囲に設けられている、上記請求項のいずれか1項に記載のヒートシンク(100)。 A heat sink (100) according to any one of the preceding claims, wherein the inlet (110) and/or the outlet (120) are provided around the slab (101). 前記複数の流体流路は、共通の最小幅を有する、上記請求項のいずれか1項に記載のヒートシンク(100)。 The heat sink (100) of any one of the preceding claims, wherein the plurality of fluid channels have a common minimum width. 前記実質的に平面状で中実のスラブ(101)は、蓋(102)を有するその主面のうちの1つの表面上に設けられており、前記蓋は、前記複数の流路の間に存在するスラブ材料と係合する接続手段によって固定されている、上記請求項のいずれか1項に記載のヒートシンク(100)。 The substantially planar and solid slab (101) is provided on one of its major surfaces having a lid (102), the lid between the plurality of channels. Heat sink (100) according to any one of the preceding claims, secured by connecting means for engaging existing slab material. 上記請求項のいずれか1項に記載のヒートシンク(100)の製造方法であって、
ある量の原材料を実質的に平面状で中実のスラブ(101)の大きさに切断することと、
前記複数の流路が少なくとも複数のブリッジング流路(31〜37)によって相互接続された少なくとも2つの主流路(10、20)を含むように、かつ、前記ブリッジング流路が流れ方向に局所的に増加する断面を有するように、前記実質的に平面状で中実のスラブの全厚さよりも小さな深さまで、前記複数の流路を前記実質的に平面状で中実のスラブ内に加工することと、
実質的に平面状の蓋(102)を、加工された前記スラブ(101)上に配置することとを備える、方法。
A method of manufacturing a heat sink (100) according to any one of the preceding claims, comprising:
Cutting a quantity of raw material to a substantially planar, solid slab (101) size;
The plurality of flow paths include at least two main flow paths (10, 20) interconnected by at least a plurality of bridging flow paths (31 to 37), and the bridging flow paths are locally arranged in a flow direction. A plurality of channels in the substantially planar solid slab to a depth less than the total thickness of the substantially planar solid slab to have a substantially increasing cross section. What to do
Placing a substantially planar lid (102) on the machined slab (101).
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